Virtual fixture for robotic-assisted minimally invasive surgery

Robotic-assisted minimally invasive surgery (RAMIS) did extraordinary progresses in the last two decades, allowing for less invasive surgical procedures, reduced trauma to the patient as well has higher precision and comfort for the practitioner. However, RAMIS procedures imply the physical separation between the surgeon and the operating table, reducing the practitioner’s perception of the surgical scene, which relies only on the visual feedback given by the endoscopic camera. Moreover, the absence of direct contact with the surgical instruments deprives the surgeon of information on how much force he is exerting on tissues and organs, potentially damaging delicate structures. Forbidden-region virtual fixtures are control techniques which allow to retrieve to the practitioner force feedback when the surgical instruments are in close proximity to pre-defined anatomical structures, potentially improving both the safety of the procedure and the 3D perception of the anatomical site. In this thesis work, a virtual fixture system is designed for the da Vinci surgical system, which includes a virtual representation of the surgical scene, the calculation of the minimum distance between the entire instrument’s shaft and the anatomy as well as the rendering of a force to the user using a visco-elastic model. Additionally, an augmented reality application is included in the framework to evaluate the impact of a different type of feedback in the localization of the region to avoid. The system has been validated under two main aspects: its capability to render a perception of the shape of the 3D constrained structure, which is a key element in augmented the surgeon’s perception of the surgical scene, and its performance in avoiding collisions without hindering the execution of the procedure. Results show that the system retrieves a realistic perception of three-dimensional shapes and is effective in preventing the collision of the instruments with the anatomy, significantly increasing the distance between them without hindering the procedure’s execution.

La chirurgia robotica mininvasiva (in inglese “Robotic-assisted minimally invasive surgery”, RAMIS) ha fatto progressi straordinari negli ultimi vent’anni, permettendo un decorso post-operatorio più rapido per il paziente e maggiore precisione e comfort per il chirurgo. Tuttavia, le odierne operazioni in robotica mininvasiva prevedono la separazione fisica del chirurgo dal tavolo operatorio, riducendo di conseguenza la sua percezione della scena operatoria. Infatti, il chirurgo si basa esclusivamente sul feedback visivo offerto dalla camera endoscopica. Inoltre, l’assenza di contatto diretto con gli strumenti operatori priva l’operatore della sensazione della forza applicata su organi e tessuti, aumentando il rischio di danneggiare strutture anatomiche delicate. Forbidden-region virtual fixture è il termine che fa riferimento a sistemi di controllo robotico che permettono di restituire un feedback di forza al chirurgo quando gli strumenti operatori sono nelle strette vicinanze di una struttura anatomica definita a priori. Queste tecniche hanno quindi il potenziale di aumentare sia la sicurezza dell’operazione che la percezione della tridimensionalità della scena chirurgica. Per questo lavoro di tesi è stato realizzato un sistema di virtual fixture sul sistema robotico da Vinci, che include una rappresentazione virtuale della scena chirurgica, il calcolo della distanza tra l’intero braccio dello strumento e l’anatomia nonché la restituzione di una forza all’utente, che viene calcolata sulla base di un modello visco-elastico. In aggiunta, un’applicazione per la realtà aumentata è stata inclusa nel framework, con lo scopo di valutarne l’effetto sulla localizzazione della regione da evitare. Il sistema è stato validato sotto due principali punti di vista: per l’efficacia nel restituire la percezione della forma di oggetti tridimensionali, elemento chiave nella percezione della scena anatomica, e per la sua performance nell’evitare collisioni senza ostacolare lo svolgimento dell’operazione. I risultati mostrano che il sistema è in grado di restituire una percezione realistica delle forme ed è efficace nel prevenire la collisione dei bracci robotici con l’anatomia del paziente, riducendo significativamente la distanza tra essi senza ostacolare rilevantemente l’operazione.